مقایسه خواص پوشش های فسفاته روی، روی/نیکل ،روی/نیکل/منگنز بر زیرلایه فولاد 41Cr4

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 14، شماره 53، آبان 1402، صفحه 53-68   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2024.33054.2032

نویسندگان

غلامرضا خلج¹؛ ابوالحسن نجفی^{* 1}؛ عادل حیدریان²

¹دانشکده فنی و مهندسی، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران

²دانشکده فنی و مهندسی، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

تاریخ دریافت: 21 بهمن 1402،  تاریخ بازنگری: 27 فروردین 1403،  تاریخ پذیرش: 01 اردیبهشت 1403 

چکیده

چکیده
مقدمه: در این تحقیق خواص پوشش ­های فسفاته روی (تک کاتیونی)، روی/ نیکل (دو کاتیونی) و روی/ نیکل/ منگنز (سه کاتیونی) مورد بررسی قرار گرفت.
روش­: محلول فسفاته­کاری پایه بر اساس تجربیات قبلی شامل اسید فسفریک، اسید نیتریک، شتاب دهنده­ها و مواد اصلاح کننده برای ایجاد ساختار بهینه پوشش تهیه شد. غلظت ترکیبات و پارامترهای عملیاتی دما، زمان و pH محلول، در طول فرایند ثابت شد. مقادیر کاتیون­های روی- نیکل- منگنز توسط اکسید روی 5/1؛ نیترات نیکل 4 و کربنات منگنز 8/3 (گرم بر لیتر) به حمام افزوده شد. در محلول پوشش فسفاته روی (تک کاتیونی)، نیترات منگنز و نیترات نیکل از محلول جدول 1حذف شدند. محلول فسفاته کاری روی/ نیکل (دو کاتیونی) نیز با حذف کربنات منگنز از محلول حاصل شد. اندازه­گیری ضخامت و وزن واحد سطح، تعیین مقدار اسید کل و آزاد، مطالعه مورفولوژی و ریزساختار پوشش؛ آزمون­های مقاومت به خوردگی شامل مقاومت به حلالیت قلیایی، آزمایش پاشش نمک، انجام شد. همچنین بعد از رنگ آمیزی نمونه­های فسفاته شده، آزمایش ضخامت لایه رنگ، آزمایش خراش و خمش، آزمایش ضربه و سختی لایه رنگ انجام پذیرفت.
یافته ­ها: مقایسه حمام­های فسفاته ­کاری نشان داد که با ورود یون­ های نیکل و منگنز، وزن پوشش کاهش یافته است. پوشش فسفاته با غلظت کم روی دارای ساختار خوشه ای است، در حالی­که بلور­های پوشش فسفاته روی- نیکل، خوشه­­ای و ورقه­ ای بوده و پوشش فسفاته سه کاتیونی نیز مخلوطی از دو ساختار مکعبی و ورقه­ ای شکل دارد. اختلاف پستی و بلندی­ ها در پوشش فسفاته روی- نیکل- منگنز؛ کمترین مقدار Raو Rz را در مقایسه با پوشش فسفاته تک کاتیونی و دو کاتیونی دارد. همچنین پوشش سه کاتیونی، بالاترین مقاومت به خوردگی را دارد که علت آن یکنواختی بیشتر، تخلخل کمتر، ساختار بلوری ریز و بالا بودن درصد فازهای مقاوم به خوردگی در ترکیب پوشش است.
نتیجه­ گیری: بررسی­ های رنگ پوشش مشخص می­ کند که بهترین چسبندگی لایه رنگ مربوط به پوشش سه کاتیونی است. با توجه به بررسی­ های انجام شده پوشش سه کاتیونی روی- نیکل- منگنز نتایج مناسب­ تری را نسبت به پوشش تک کاتیونی روی و دو کاتیونی روی- نیکل فراهم کرد.

کلیدواژه‌ها

پوشش فسفاته؛ سه کاتیونی؛ روی؛ نیکل؛ منگنز؛ مقاومت خوردگی

عنوان مقاله [English]

Comparison of properties of zinc, zinc/nickel, zinc/nickel/manganese phosphate coatings on 41Cr4 steel substrate

نویسندگان [English]

Gholamreza Khalaj¹؛ Abolhassan Najafi¹؛ Adel Heidarian²

¹College of Technology and Engineering, Saveh Branch, Islamic Azad University, Saveh, Iran

²College of Technology and Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: In this research, the properties of zinc phosphate (single cation), zinc/nickel (double cation) and zinc/nickel/manganese (three cation) coatings were investigated.
Methods: The basic phosphating solution was prepared based on previous experiences including phosphoric acid, nitric acid, accelerators and modifiers to create an optimal coating structure. The concentration of compounds and operational parameters of temperature, time and solution pH were fixed during the process. The amount of zinc-nickel-manganese cations by zinc oxide is 1.5; Nickel nitrate 4 and manganese carbonate 3.8 (g/liter) were added to the bath. In the zinc phosphate coating solution (monocation), manganese nitrate and nickel nitrate were removed from the solution in Table 1. Zinc/nickel phosphating solution (bi-cationic) was also obtained by removing manganese carbonate from the solution. Measuring the thickness and weight of the surface unit, determining the amount of total and free acid, studying the morphology and microstructure of the coating; Corrosion resistance tests including resistance to alkali solubility, salt spray test were performed. Also, after painting the phosphated samples, paint layer thickness test, scratch and bending test, impact test and paint layer hardness were performed.
Finding: The comparison of phosphating baths showed that the weight of the coating decreased with the introduction of nickel and manganese ions. The low zinc phosphate coating has a cluster structure, while the zinc-nickel phosphate coating crystals are clustered and sheet-like, and the tri-cationic phosphate coating has a mixture of cubic and sheet-shaped structures. The difference in height and height in zinc-nickel-manganese phosphate coating; It has the lowest Ra and Rz values compared to single-cationic and double-cationic phosphate coatings. Also, the optimal three-cation coating has the highest corrosion resistance, which is due to greater uniformity, less porosity, fine crystal structure, and a high percentage of corrosion-resistant phases in the coating composition.
The coating color studies indicate that the best adhesion of the paint layer is related to the tri-cationic coating. According to the researches, the zinc-nickel-manganese three-cation coating provided better results than the zinc-nickel and zinc-nickel two-cation coatings.

کلیدواژه‌ها [English]

phosphate coating, three cations, zinc, nickel, manganese, corrosion resistance, paint adhesion

مراجع

1.                   Narayanan, T. S. N. S. (2005). Surface pretreatment by phosphate conversion coatings. Reviews on Advanced Materials Science, 9, 130-177.

2.                   Narayanan, T. S. N. S. (2006). Corrosion resistance of phosphate coatings obtained by cathodic electrochemical treatment. Progress in Organic Coatings, 55, 355-362.

3.                   Zhang, S. (2008). The growth of zinc phosphate coatings on 6061-Al alloy. Surface & Coatings Technology, 202, 1674-1680.

4.                   Van Ooij, W. J., & Sabata, A. (1989). Chemical stability of phosphate conversion coatings on cold-rolled and electrogalvanized steels. Surface & Coatings Technology, 39/40, 667-674.

5.                   Lazzarotto, L. (1999). The effects of processing bath parameters on the quality and performance of zinc phosphate coatings. Surface and Coatings Technology, 94-100.

6.                   Fang, F., Jiang, J., Tan, S., Ma, A., & Jiang, J. Q. (2010). Characteristics of a fast low-temperature zinc phosphating coating accelerated by an ECO-friendly hydroxylamine sulfate. Surface & Coatings Technology, 204, 2381-2385.

7.                   Jegannathan, S., Arumugama, T. K., Narayanan, T. S. N. S., & Ravichandran, K. (2009). Formation and characteristics of zinc phosphate coatings obtained by electrochemical treatment: Cathodic vs. anodic. Progress in Organic Coatings, 65, 229-236.

8.                   Zimmermann, D. (2005). Formation of Zn Ni alloys in the phosphating of Zn layers. Surface & Coatings Technology, 197, 260-269.

9.                   Wang, C.-M., Liau, H.-C., & Tsai, W.-T. (2006). Effect of temperature and applied potential on the microstructure and electrochemical behavior of manganese phosphate coating. Surface & Coatings Technology, 200, 2718-2724.

10.               Klusmann, E. (2003). pH-Microscopy: technical application in phosphating solutions. Electrochimica Acta, 43, 3325-3332.

11.               Banczek, E. P. (2008). The effects of niobium and nickel on the corrosion resistance of the zinc phosphate layers. Surface & Coatings Technology, 202, 2008-2014.

12.               Himmler, I. B., Kling, H. W., Optiz, W., & Seemann, J. (2003). Method of controlling a treatment line. United States Patent No. 6627006 B1.

13.               Totik, Y. (2006). The corrosion behavior of manganese phosphate coatings applied to AISI 4140 steel subjected to different heat treatments. Surface & Coatings Technology, 200, 2711-2717.

14.               Deepa, L. C. (2003). Effect of divalent cations in low zinc ambient temperature phosphating bath. Anti-Corrosion Methods and Materials, 50, 286-290.

15.               Myawakii, T. (1991). Zinc, nickel phosphate conversion coating composition and process. United States Patent No. 5000799.

16.               Sato, N., Minami, T., & Kono, H. (1989). Analysis of metallic components in zinc phosphate films using electron spin resonance and X-ray fluorescence. Surface and Coatings Technology, 37, 23-30.

17.               Carattino, M. D. (2004). Effects of long-term exposure to Cu2+ and Cd2+ on the pentose phosphate. Ecotoxicology and Environmental Safety, 57, 311-318.

18.               Lins, V. de F. C., Reis, G. F. D. A., Araujo, C. R. D., & Matencio, T. (2006). Electrochemical impedance spectroscopy and linear polarization applied to evaluation of porosity of phosphate conversion coating on electrogalvanized steels. Applied Surface Science, 253, 2875-2884.

19.               Sienkowski, M. L., & Coonier, G. J. (2000). Zinc phosphate conversion coating and process. U.S. Patent No. 6/019/858.

20.               Sinha, P. K. (2002). Phosphate coating on steel surfaces by an electrochemical method. Surface and Coatings Technology, 161, 158-168.

21.               Tegehall, P. E. (1989). Colloidal titanium phosphate, the chemical activator in surface conditioning before zinc phosphating. Colloids & Surfaces, 42, 155-164.

22.               Tegehall, P. E. (1990). The mechanism of chemical activation with titanium phosphate colloids in the formation of zinc phosphate conversion coatings. Colloids & Surfaces, 49, 373-383.

23.               Tomandl, A., Wolpers, M., & Ogle, K. (2004). The alkaline stability of phosphate coatings II: in situ Raman spectroscopy. Corrosion science, 46(4), 997-1011.

24.               Akafuah, N. K., Poozesh, S., Salaimeh, A., Patrick, G., Lawler, K., & Saito, K. (2016). Evolution of the automotive body coating process—A review. Coatings, 6(2), 24.

25.               Su, H. Y., & Lin, C. S. (2014). Effect of additives on properties of phosphate conversion coating on electrogalvanized steel sheet. Corrosion Science, 83, 137–146.

26.               Abdalla, K., Rahmat, A., & Azizan, A. (2013). The effect of pH on zinc phosphate coating morphology and its corrosion resistance on mild steel. Advanced Materials Research, 626, 569–574.

27.               Doerre, M., Hibbitts, L., Patrick, G., & Akafuah, N. K. (2018). Advances in automotive conversion coatings during pretreatment of the body structure: A review. Coatings, 8(11), 405–421.

28.                               Wang, M., Ma, R., Du, A., Hu, S., Muhammad, M., Cao, X., ... & Wu, J. (2020). Corrosion resistance of black phosphorus nanosheets composite phosphate coatings on Q235 steel. Materials Chemistry and Physics, 250, 123056.

29.                           Zhang, Y., Chen, X., & Tan, H. (2023). Effect of ultrasonic treatment on the morphology and corrosion resistance of zinc-manganese phosphate coatings on 16Mn steel in 3.5% sodium chloride. International Journal of Electrochemical Science, 18(9), 100274.

30.               Guo, L., Huang, Q., Zhang, C., Wang, J., Shen, G., Ban, C., & Guo, L. (2021). Study on the formation of Mn-P coatings with significant corrosion resistance on Q235 carbon steels by adjusting the ratio of phosphorus to manganese. Corrosion Science, 178, 108960.

31.               Shahini, M. H., Eivaz Mohammadloo, H., & Ramezanzadeh, B. (2022). Recent advances in steel surface treatment via novel/green conversion coatings for anti-corrosion applications: a review study. Journal of Coatings Technology and Research, 19(1), 159-199.

32.               Abdalla, K., & Zuhailawati, H. (2021). Corrosion performance and morphological analysis of activated zinc phosphate coating formed on steel surface. Anti-Corrosion Methods and Materials, 68(6), 555-563.

33.                           Burduhos-Nergis, D. P., Vizureanu, P., Sandu, A. V., & Bejinariu, C. (2020). Evaluation of the corrosion resistance of phosphate coatings deposited on the surface of the carbon steel used for carabiners manufacturing. Applied sciences, 10(8), 2753.

34.               فتح یونس لیلا، آزادبه مازیار. (1393). مطالعه تاثیر فعال سازی مکانیکی سطح فولاد ساده کربنی بر خواص حفاظتی پوشش فسفاته Zn اعمالی و بهبود چسبندگی رنگ. فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین، (15)4،  66-51.

35.               Ayoola, A. A., Durodola, B. M., Babalola, R., Adeniyi, O. D., & Ilobinso, C. E. (2023). Corrosion inhibitive effects of calcium-modified zinc phosphate coating on A36 mild steel. Results in Engineering, 17, 100880.

Balasubramanian, J., Kumar, V., Kirubakaran, M., & Lalwani, R. (2023). A Study on Automotive Sheetmetal Surface Pretreatment: Liquid Activation and Low Temperature Phosphating (No. 2023-28-1324). SAE Technical Paper.